DE1937271B2 - Arrangement for leak detection - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lecksuche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for leak detection according to the preamble of claim 1.
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (britische Patentschrift 10 47 204) ist dem Massenspektrometer eine Sorptionspumpe vorgeschaltet. Bei einer solchen Anordnung muß unbedingt verhindert werden, daß Luft in die Sorptionspumpe eindringt, weil eine solche Pumpe bei Lufteinbruch sehr schnell unbrauchbar wird. Dies bedingt die Anordnung mehrerer Ventile, was einen entsprechenden Aufwand für Steuerungsmittel erfordert, wenn die Anordnung sicher arbeiten soll.In a known arrangement of this type (British patent specification 10 47 204) is the mass spectrometer a sorption pump is connected upstream. With such an arrangement, it is imperative to prevent air penetrates the sorption pump because such a pump quickly becomes unusable in the event of air ingress. This requires the arrangement of several valves, which means a corresponding expense for control means required if the arrangement is to work safely.
Der direkte Anschluß eines Massenspektrometers zwischen der Hochvakuumpumpe und der Vorpumpe ist nur bei Anordnung eines Drosselventils möglich, da Massenspektrometer nur bei einem niedrigeren Druck arbeiten, als er zwischen Hochvakuumpumpe und Vorpumpe herrscht. Die Anordnung von Drosselventilen hat den und daß der Zutritt des Prüfgases zum Massenspektrometer gleich stark gedrosselt wird wie der ähnlicher anderer Gase, also Grobventil Beispiel Luft, was sich auf die Empfindlichkeit der Anordnung ungünstig auswirkt.The direct connection of a mass spectrometer between the high vacuum pump and the backing pump is only possible with the arrangement of a throttle valve, since the mass spectrometer is only possible at a lower pressure work when there is between high vacuum pump and backing pump. The arrangement of throttle valves has the and that the access of the test gas to the mass spectrometer is throttled to the same extent as the similar other gases, so coarse valve example air, which affects the sensitivity of the arrangement has an unfavorable effect.
Es ist deshalb bereits eine Anordnung zur Lecksuche an Vakuumgefäßen mit Hilfe eines durch Leckstellen in das angeordnet Gefäß strömenden Prüfgases, zum Beispiel Helium, mit einem Massenspektrometer und einem den Behälter evakuierenden Pumpsatz, bestehend aus einer Vorpumpe und einer Hochvakuumpumpe, wobei an der zur Evakuierung des Gefäßes dienenden Leitung an einer Stelle, an der der Druck höher ist als der zum Betrieb des Massenspektrometers erforderliche Druck, eine Anzapfung vorgesehen ist,There is therefore already an arrangement for leak detection on vacuum vessels with the aid of a leakage point in the arranged vessel flowing test gas, for example helium, with a mass spectrometer and a pump set evacuating the container, consisting of a backing pump and a high vacuum pump, being on the line used to evacuate the vessel at a point where the pressure is higher than the pressure required to operate the mass spectrometer, a tap is provided,
vorgeschlagen worden, bei der die Anzapfung mit der Auslaßseite einer Turbomolekularpumpe verbunden ist und an der Saugseite der Turbomolekularpumpe das Massenspektrometer angeschlossen ist, und die Turbomolekularpumpe eine solche Stufenzahl und einen solchen Drehzahlbereich hat, daß sie für das Prüfgas -ein nur kleines Druckverhältnis, jedoch für Luft und andere Gase, die schwerer als das Prüfgas sind, ein großes Druckverhältnis aufbaut, wobei die Hochvakuumpumpe und die mit dem Massenspektrometer verbundene Turbomolekularpumpe eine gemeinsame Welle haben und im Pumpengehäuse sowohl ein Anschluß (Saugstutzen) für das zu prüfende Gefäß als auch eine Anzapfung für das Massenspektrometer vorgesehen ist, wobei die Scheibengruppe der Hochvakuumpumpe auf einer Seite des Saugstutzens angeordnet ist, während die dem Massenspektrometer vorgeschaltete Turbomolekularpumpe auf der anderen Seite des Saugstutzens liegt und durch eine auf der gemeinsamen Welle und im gemeinsamen Gehäuse angeordnete Scheibengruppe gebildet ist, wobei die Saugseite der Turbomolekularpumpe gegenüber dem Saugstutzen abgedichtet ist (DE-AS 16 48 648.9-52).has been proposed in which the tap is connected to the outlet side of a turbo molecular pump and the mass spectrometer is connected to the suction side of the turbo molecular pump, and the turbo molecular pump has such a number of stages and such a speed range that they -ein for the test gas only a small pressure ratio, but a large one for air and other gases that are heavier than the test gas Pressure ratio builds up, with the high vacuum pump and the one connected to the mass spectrometer Turbomolecular pumps have a common shaft and both a connection (suction nozzle) in the pump housing for the vessel to be tested and a tap for the mass spectrometer is provided, the Disk group of the high vacuum pump is arranged on one side of the suction port, while the dem Mass spectrometer upstream turbomolecular pump is on the other side of the suction nozzle and by a group of disks arranged on the common shaft and in the common housing is formed, wherein the suction side of the turbo molecular pump is sealed against the suction nozzle (DE-AS 16 48 648.9-52).
Aufgabe der Erfindung ist, eine Anordnung der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, bei der das Massenspektrometer zwischen Hochvakuumpumpe und Vorpumpe ohne Zwischenschaltung eines Drosselventils angeschlossen werden kann und bei der auch keine Sorptionspumpe benötigt wird. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.The object of the invention is to make an arrangement of the type mentioned available in which the mass spectrometer between high vacuum pump and backing pump without the interposition of a throttle valve can be connected and which also does not require a sorption pump. This task is achieved by the measures specified in the characterizing part of claim 1.
Abweichend von dem älteren Recht wird also nicht eine Turbomolekularpumpe spezieller Ausbildung zusätzlich zur Hochvakuumpumpe benötigt, sondern es wird die als Hochvakuumpumpe vorhandene Diffusionspumpe mit ausgenutzt.In deviation from the earlier law, a turbo-molecular pump of special training is not additionally required for the high vacuum pump, but the diffusion pump available as a high vacuum pump is used with exploited.
Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.Special refinements of the invention emerge from claims 2 to 5.
Die Erfindung soll anhand von verschiedenen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention is intended to be more detailed with the aid of various exemplary embodiments shown in the drawing explained.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform LD-Il weist einen Prüfeinlaß TP, eine Einlaßleitung /Z, eine Grobleitung RL, eine Prüfleitung TLlI, ein Grobventil RVW, ein Prüfventil TVII, ein Massenspektrometer MS, ein Meßinstrument M, eine Hochvakuum-Diffusionspumpe WVP und eine Grobpumpe RP (mechanische Kreiselpumpe) auf. Die Hochvakuum-Diffusionspumpe HVP bildet im wesentlichen die einzige Molekularströmungspumpe zwischen Einlaß und Spektrometer. Es ist keine Kühlfalle wie bei bekannten Anordnungen ähnlicher Art vorhanden. Das Grobventil RVU und das Prüfventil TVII befinden sich in Hochdruckleitungen und brauchen daher weniger strengen Anforderungen zu genügen als die Ventile bei der eingangs genannten bekannten Anordnung, die im Hochvakuumbereich angeordnet werden müssen und Hochvakuumabdichtungsfunktionen erfüllen müssen.The embodiment shown in Fig. 1 LD-II has a test inlet TP, an inlet line / Z, a coarse line RL, a test line TLlI, a coarse valve RVW, a test valve TVII, a mass spectrometer MS, a measuring instrument M, a high vacuum diffusion pump and WVP a coarse pump RP (mechanical centrifugal pump). The high vacuum diffusion pump HVP is essentially the only molecular flow pump between the inlet and the spectrometer. There is no cold trap as in known arrangements of a similar type. The coarse valve RVU and the test valve TVII are located in high pressure lines and therefore need to meet less stringent requirements than the valves in the known arrangement mentioned at the beginning, which must be arranged in the high vacuum area and must fulfill high vacuum sealing functions.
Beim Betrieb des Gerätes LDII wird zunächst das Massenspektrometer MS als Vorbereitung für das jeweilige Tagespensum über die Grobpumpe RP und das geöffnete Ventil TVlI und anschließend über HVP, TVU RP (bei stets geschlossenem Ventil RVU) vorgepumpt. Eine Leckprüfung wird dann wie folgt vorgenommen: Der Prüfeinlaß TP wird an eine der üblichen Leckprüfanordnungen angeschlossen, beispielsweise eine Abfühlsonde, eine Vakuumkammer, in die der vorgesättigte Prüfling eingebracht ist, oder eineWhen operating the LDII device, the mass spectrometer MS is initially pumped in advance via the coarse pump RP and the open valve TVlI and then via HVP, TVU RP (with valve RVU always closed) in preparation for the respective daily volume. A leak test is then carried out as follows: The test inlet TP is connected to one of the usual leak test arrangements, for example a sensing probe, a vacuum chamber into which the pre-saturated test specimen is introduced, or a
Anzapfung einer vorhandenen Vakuumapparatur mit einer Vakuumkammer, die mittels einer Kühlfalle, einer Diffusionspumpe und einer Vorpumpe evakuiert wird. Das Ventil 7VlI wird geschlossen und das Ventil Λ VlI geöffnet Anschließend wird die Prüfanordnung, soweit erforderlich, mittels der Pumpe P? grobevakuiert Während dieser Grobevakuierzeit wirkt die Vorvakuumleitung FL der Pumpe HVP stromaufwärts vom geschlossenen Prüfventil TVII als Bailast- .c/der Ausgleichstank. Wenn die Prüfanordnung grobgepumpt ist wird das Ventil 7VII geöffnet und mit der Undichtigkeitsprüfung begonnen. Während der Undichtigkeitsprüfung dient die Pumpe RP als Vorpumpe. Obwohl die Pumpe RP Einströmgas mit entsprechendem Prüfgasgehalt von der Prüfleitung abzieht ist der dadurch bedingte Empfindlichkeitsverlust zusammen mit den Empfindlichkeitsverlusten beim Durchströmen der Diffusionspumpe ziemlich gering. Ein ausreichender Anteil des bei Vorhandensein eines Lecks durch den Prüfeinlaß TP eintretenden Prüfgases gelangt durch die Pumpe HVP nach rückwärts und erreicht das Massenspektrometer MS, so daß etwaige Lecks erfaßt werden können. Zugleich verhindert die Pumpe HVP, daß andere, mit der Gasprobe einströmende Bestandteile (höheren Molekulargewichts) wie Wasserdampf, Sauerstoff und Stickstoff in das Massenspektrometer MS eintreten.Tapping of an existing vacuum apparatus with a vacuum chamber, which is evacuated by means of a cold trap, a diffusion pump and a backing pump. The valve 7VlI is closed and the valve Λ VlI is opened . roughly evacuated During this rough evacuation time, the fore-vacuum line FL of the HVP pump acts upstream of the closed test valve TVII as a bail-load .c / equalizing tank. When the test arrangement has been roughly pumped, valve 7VII is opened and the leak test is started. During the leak test, the RP pump serves as a backing pump. Although the pump RP draws inflow gas with a corresponding test gas content from the test line, the resulting loss of sensitivity together with the loss of sensitivity when flowing through the diffusion pump is quite small. A sufficient proportion of the test gas entering through the test inlet TP in the presence of a leak passes backwards through the pump HVP and reaches the mass spectrometer MS so that any leaks can be detected. At the same time, the HVP pump prevents other components (of higher molecular weight) flowing in with the gas sample, such as water vapor, oxygen and nitrogen, from entering the mass spectrometer MS.
Zwischen den einzelnen Undichtigkeitsprüfungen einer Testserie mit der dargestellten Anordnung wird diese mittels der Pumpe HVP und RP jeweils von Prüfgasresten gesäubert Nach der Testserie wird das Ventil ÄVII geschlossen und die Prüfanordnung vom Einlaß TPentkoppeltBetween the individual leak tests of a test series with the arrangement shown, it is cleaned of tracer gas residues by means of the pumps HVP and RP. After the test series, valve ÄVII is closed and the test arrangement is decoupled from inlet TP
Für die Pumpe HVPkann irgendeine der handelsüblichen zweizölligen und in den meisten Fällen sogar vierzölligen Diffusionspumpen verwendet werden. Solche Pumpen ergeben eine Gesamtluftgeschwindigkeit die ausreicht um das Massenspektrometervolumen nach bekannten Prinzipien in kurzer Zeit zu evakuieren, darüber hinaus aber ein niedriges Druckverhältnis für leichte Prüfgase. Dieses niedrige Druckverhältnis für leichte Prüfgase ist für die Wirkungsweise ausschlaggebend, es spielt keine Rolle, daß Diffusionspumpen bekanntlich für leichte Gase eine größere Sauggeschwindigkeit haben als für schwere (vergl. beispielsweise Eschbach »Praktikum der Hochvakuumtechnik« Leipzig 1962, Seiten 36 bis 42). Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Pumpe HVP mil Einlaß und Vorvakuumleitung so ausgebildet, daß sie an ihrem Einlaß ein Hochvakuum (10-3Torr Druck oder niedriger) erzeugt und einen Vordruck oberhalb des Hochvakuumwertes aufweist (10-3 Torr oder mehr, typischerweise 0,1 bis 1 Torr). Im allgemeinen ist das Verhältnis von Leistung zu Durchsatz ungefähr 1,5 oder größer (in Kilowatt Nennleistung, dividiert durch Sauggeschwindigkeit mal 0,001 Torr), im Gegensatz zu dem Verhältnis 1,0 bei den meisten modernen Diffusionspumpen.Any of the commercially available two-inch, and in most cases even four-inch, diffusion pumps can be used with the HVP pump. Such pumps result in a total air speed which is sufficient to evacuate the mass spectrometer volume in a short time according to known principles, but also a low pressure ratio for light test gases. This low pressure ratio for light test gases is decisive for the mode of operation, it does not matter that diffusion pumps are known to have a higher suction speed for light gases than for heavy ones (see for example Eschbach "Praktikum der Hochvakuumtechnik" Leipzig 1962, pages 36 to 42). In the illustrated embodiment, the pump HVP is mil inlet and foreline formed so that it produces at its inlet, a high vacuum (10- 3 Torr pressure or lower) and an initial pressure above the high vacuum value comprises (10- 3 Torr or more, typically 0.1 up to 1 Torr). In general, the ratio of power to throughput is about 1.5 or greater (in kilowatts of nominal power divided by suction speed times 0.001 torr), as opposed to the 1.0 ratio found in most modern diffusion pumps.
F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform, die für die Abfühlmethode geeignet ist. Bei dieser Anordnung hat das Ansaugrohr der Abfühlsonde SP-III eine erweiterte Öffnung, die eine Einströmung von 0,1 oder mehr ccm/sec atm. ergibt, im Gegensatz zu der Beschränkung bekannter Anordnungen auf ungefähr 0,001 ecm/ see atm. Gaseinströmung. Durch diese erhöhte Gaseinströmungsrate wird die Empfindlichkeit der Sonde bei der Suche nach kleineren Lecks verbessert, da eine erößere Wahrscheinlichkeit besteht, daß das das Leck durchdringende Prüfgas aufgefangen wird Außerdem ist das Problem, daß sich die Abfühisonde verstopft stark herabgesetztF i g. Figure 2 shows an embodiment suitable for the sensing method. With this arrangement the suction tube of the sensing probe SP-III has a widened opening that allows an inflow of 0.1 or more ccm / sec atm. results, in contrast to the limitation of known arrangements to about 0.001 ecm / see atm. Gas inflow. This increased gas inflow rate increases the sensitivity of the probe Finding smaller leaks improves the likelihood that that is the leak penetrating test gas is collected. In addition, the problem is that the Abfühisonde clogged greatly reduced
Die Anordnung LD-Ul nach F i g. 2 ist als Einzweck-The arrangement LD-U1 according to FIG. 2 is intended as a single-purpose
·> Lecksuchgerät für die Abfühlmethode geeignet ein Grobventil und Prüfventil gemäß Fig. 1 entfallen. Die Abfühlsonde SP-Ul selbst bildet den Prüfeinlaß, wobei ihre Ansaugrohrkonstruktion das Grobpumpen ermöglicht Wie bereits erwähnt kann eine solche Abfühlsonde aber auch auf den Prüfeinlaß TP nach Fig. 1 montiert werden. ·> Leak detector suitable for the sensing method, a coarse valve and test valve according to Fig. 1 are not required. The sensing probe SP- U1 itself forms the test inlet, and its suction pipe construction enables coarse pumping. As already mentioned, such a sensing probe can also be mounted on the test inlet TP according to FIG.
Bei der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform LiJ-IV sind getrennte mechanische Pumpen für das Vorpumpen (FP) und das Grobpumpen (RP) vorgese-In the embodiment LiJ-IV shown in Fig. 3, separate mechanical pumps are provided for backing pumping (FP) and rough pumping (RP) .
l) hen. Ein Prüfventil 7V-II und ein Grobventil RV-II sowie ein Prüfeinlaß TP sind wie im Falle der F i g. 1 vorgesehen.l) hen. A test valve 7V-II and a coarse valve RV-II and a test inlet TP are as in the case of FIG. 1 provided.
Bei der Ausführungsform LD-W nach F i g. 4 ist eine zweistufige Grobpumpe RP-V vorgesehen. Eine Prüfeinlaßleitung, eine Grobleitung RL, eine Hochvakuum-Diffusionspumpe HVP und ein Massenspektrometer MS sind wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 vorgesehen und angeordnet Mittels zweier Ventile X und Y kann die Strömung entweder durch beideIn the embodiment LD-W according to FIG. 4 a two-stage RP-V coarse pump is provided. A test inlet line, a coarse line RL, a high vacuum diffusion pump HVP and a mass spectrometer MS are as in the embodiment according to FIG. 1 provided and arranged by means of two valves X and Y , the flow can either through both
r> Pumpstufen zum Grobpumpen oder durch nur die zweite Stufe zum Vorpumpen während der Leckprüfung geleitet werden. Eine volle Grobpumpleistung führt zu einem merklichen Empfindlichkeitsverlust der durch Herabsetzen auf eine niedrigere Vorpumpleistung während der eigentlichen Leckprüfung verringert werden kann.r> pumping stages for coarse pumping or through only the second stage for pre-pumping during the leak test be directed. A full coarse pump output leads to a noticeable loss of sensitivity of the reduced by reducing it to a lower pre-pump capacity during the actual leak test can be.
Bei der Ausführungsform LD-Vl gemäß Fig. 5 sind ein Massenspektrometer MS mit nicht dargestelltem Meßinstrument, eine Hochvakuum-Diffusionspumpe HVP und eine Vorvakuumleitung FL vorgesehen. Ein beliebiger Punkt dieser Vorvakuumleitung FL kann dabei als Prüfeinlaß für den Eintritt des Testgases verwendet werden.In the embodiment LD-VI according to FIG. 5, a mass spectrometer MS with a measuring instrument (not shown), a high-vacuum diffusion pump HVP and a fore-vacuum line FL are provided. Any point of this fore-vacuum line FL can be used as a test inlet for the entry of the test gas.
Diese Anordnung ist an das Pumpsystem einer Vakuumanordnung D angeschlossen, deren Dichtigkeit geprüft werden soll. Die übliche Ausrüstung des Vakuumsystems D mit einer Vakuumkammer D1, einer Kühlfalle D 2, einer Diffusionspumpe D 3 und einer Vorpumpe D4 mit den üblichen, nicht näher dargestellten Ventilen, kann dabei auch für die Zwecke der Lecksuchanordnung verwendet werden, indem die Vorpumpe D 4 gleichzeitig als Vorpumpe für die Lecksuchanordnung dient. Um sowohl eine hohe Empfindlichkeit bei der Leckprüfung als auch eine rasche Reinigung der Anordnung zwischen den Tests zu erreichen, kann das Prüfgasdruckverhältnis der Hochvakuum-Diffusionspumpe HVP durch Erniedrigen von deren Pumpwirkung in dem Sinne reguliert werden, daß das Prüfgasdruckverhältnis über der Hochvakuum-Diffusionspumpe HVP während der eigentlichen Prüfung erniedrigt wird, während zwischen den Tests die volle Leistung zur raschen Säuberung des Gerätes verfügbar ist. Beispielsweise kann das Prüfgasdruckverhältnis dadurch erniedrigt werden, daß die Diffusionspumpe während des Tests mit einer niedrigeren Öltemperatur betrieben wird, eine andere Möglichkeit besteht darin, die Vorpumpgeschwindigkeit zwischen den Tests heraufzusetzen.This arrangement is connected to the pumping system of a vacuum arrangement D , the tightness of which is to be checked. The usual equipment of the vacuum system D with a vacuum chamber D 1, a cold trap D 2, a diffusion pump D 3 and a backing pump D 4 with the usual valves, not shown, can also be used for the purposes of the leak detection arrangement by using the backing pump D 4 also serves as a backing pump for the leak detection arrangement. In order to achieve both high sensitivity in the leak test and quick cleaning of the arrangement between the tests, the test gas pressure ratio of the high vacuum diffusion pump HVP can be regulated by reducing its pumping action in such a way that the test gas pressure ratio over the high vacuum diffusion pump HVP during the actual test is lowered, while the full power is available between the tests for quick cleaning of the device. For example, the test gas pressure ratio can be reduced by operating the diffusion pump at a lower oil temperature during the test; another possibility is to increase the pre-pumping speed between the tests.
Bei der Ausführungsform LZJ-VII gemäß Fig.6 sind zwei Diffusionspumpen HVPA und HVPB hintereinander geschaltet, wobei HVPB zusammen mit einer mechanischen Pumpe FB das Vorpumpsystem für die PumDe HVPA bildet. Die PumDe HVPA hat einIn the embodiment LZJ-VII according to FIG. 6, two diffusion pumps HVPA and HVPB are connected in series, HVPB together with a mechanical pump FB forming the backing system for the PumDe HVPA . The PumDe HVPA has a
niedriges Druckverhältnis für das Prüfgas als die Pumpe HVPB (z. B. sind beide Pumpen zweizeilige Öldiffusionspumpen und hat HVPA eine Leistung = V3 der Leistung der Pumpe HVPB). Die Anordnung wird durch eine Pumpe ÄPüber ein Ventil R V grobgepumpt. Die Dichtigkeitsprüfung erfolgt durch Schließen des Ventils Λ V und Einlassen der Gasprobe über ein Prüfventil TV in der Vorvakuumleitung FL der Diffusionspumpe HVPA. Während der Prüfung wird eine Drosselplatte TW(eine Platte mit Düsenöffnung) über den Einlaß der Pumpe HVPB gebracht, um die effektive Pumpleistung von HVPB auf ungefähr 3 1/sec herabzusetzen. Nach dem Prüfen wird die Drosselplatte TH aus ihrer Sperrlage durch einen Magneten abgehoben; um die volle Pumpgeschwindigkeit wieder zu erhalten.Lower pressure ratio for the test gas than the HVPB pump (e.g. both pumps are two-line oil diffusion pumps and HVPA has an output = V 3 of the output of the HVPB pump). The arrangement is roughly pumped by a pump ÄP via a valve RV . The leak test is carried out by closing the valve Λ V and admitting the gas sample via a test valve TV in the fore-vacuum line FL of the diffusion pump HVPA. During the test, a throttle plate TW (a plate with a nozzle opening) is placed over the inlet of the pump HVPB in order to reduce the effective pumping rate of HVPB to approximately 3 liters per second. After testing, the throttle plate TH is lifted from its blocking position by a magnet; to get the full pumping speed again.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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